Проблемы конструирования и расчета монолитных зданий

Конструктивные системы зданий классифицируют на каркасные, у которых несущими вертикальными элементами являются линейные элементы — колонны, стеновые, у которых несущими вертикальными элементами являются плоскостные элементы — стены, каркасно-стеновые системы, у которых вертикальными несущими элементами являются линейные и плоскостные элементы — колонны и стены.

С точки зрения обеспечения жесткости и устойчивости многоэтажных зданий, особенно зданий повышенной этажности, воспринимающих большие горизонтальные (ветровые) нагрузки, наиболее высокими конструктивными показателями обладают здания стеновой конструктивной системы, работающие по связевой схеме, в меньшей степени этими качествами обладают здания промежуточной, каркасно-стеновой конструктивной системы, и наконец, в наименьшей степени — здания 'чисто' каркасной конструктивной системы, работающие по рамной схеме.
С точки зрения расхода материалов наибольший расход бетона и соответственно меньший расход арматуры требуется для возведения зданий стеновой конструктивной системы, а наименьший расход бетона и соответственно наибольший расход арматуры — для зданий каркасной системы. Здания каркасно-стеновой конструктивной системы по расходу бетона и арматуры занимают промежуточное положение.
Монолитные здания могут иметь регулярную и нерегулярную конструктивную систему.
Регулярная система в большей степени отвечает конструктивным требованиям и в меньшей степени — архитектурным; нерегулярная система, напротив, в большей степени отвечает архитектурным требованиям и в меньшей степени — конструктивным. С технологической точки зрения регулярная конструктивная система обладает преимуществами по сравнению с нерегулярной, так как требует более простых опалубочных форм.
Монолитные здания обладают наиболее высокими архитектурными и конструктивными показателями. Формообразующие возможности монолитного бетона позволяют создавать здания любой конфигурации и внутренней планировки, обеспечивая наиболее современные функциональные и архитектурные требования.
Кроме того, монолитный железобетон обладает целым рядом полезных конструктивных качеств, позволяет создавать различные конструктивные системы зданий (каркасные, стеновые и каркасно-стеновые) и различные по формам, размерам и функциональному назначению отдельные несущие элементы зданий. Применение монолитного железобетона обеспечивает высокую прочность, жесткость и долговечность зданий благодаря жестким монолитным сопряжениям отдельных элементов несущей конструктивной системы.
Для монолитных зданий повышенной этажности, все более широко применяемых в современном строительстве, наиболее целесообразно использование каркасно-стеновой конструктивной системы, наиболее полно отвечающей как архитектурным требованиям, обеспечивая свободную планировку внутренних помещений, так и конструктивным требованиям, обеспечивая жесткость и устойчивость зданий. Эта конструктивная система состоит из вертикальных несущих элементов в виде колонн и стен, располагаемых в плане как регулярно (с одинаковым шагом), так и нерегулярно, и из горизонтальных несущих элементов в виде плоских (безбалочных) и ребристых (балочных) перекрытий.
Широкие формообразующие возможности монолитного железобетона зачастую вызывают определенные проблемы при проектировании монолитных зданий, решение которых затруднено в связи с отсутствием полных систематизированных указаний в нормативных документах и может приводить либо к излишнему расходу материальных средств, либо к недостаточной надежности.
Что касается зданий сборно-монолитных конструктивных систем, то они по своим архитектурным, конструктивным и технологическим показателям находятся в промежуточном положении между сборными и монолитными конструкциями, сочетая как положительные стороны, так и недостатки.
Сборно-монолитные конструкции позволяют расширить архитектурные возможности при проектировании зданий и повысить их конструктивные показатели по сравнению со сборными в результате увеличения жесткости и монолитности сопряжений отдельных элементов и соответственно увеличения жесткости и устойчивости здания в целом. Одновременно применение сборно-монолитных конструкций позволяет повысить технологичность выполнения конструкций благодаря использованию сборных элементов в качестве остающейся опалубки.
Здания перечисленных конструктивных систем имеют как свои положительные стороны, так и недостатки. Поэтому выбор конструктивной системы должен определяться оптимальным сочетанием основных показателей, в зависимости от требований, предъявляемых к зданию, возможностей строительства и условий возведения здания.
Монолитные многоэтажные здания охватывают значительную область строительства и имеют большую перспективу. В Москве монолитные здания составляют уже около 30% общего объема строительства зданий. Монолитные многоэтажные здания имеют также широкое распространение в зарубежной практике строительства.
Монолитные здания по архитектурным, конструктивным и технологическим показателям целесообразно выполнять рамно-связевой конструктивной системы с плоскими перекрытиями.
Монолитные многоэтажные здания каркасно-стеновой нерегулярной конструктивной системы с плоскими перекрытиями имеют существенные особенности как с точки зрения расчета и конструирования здания в целом, так и отдельных его элементов, а также с точки зрения технологии возведения. Однако эти особенности еще недостаточно и не в полной мере учитываются в практике проектирования и строительства.
Для решения возникающих проблем расчетного и конструктивного порядка требуется совершенствование и развитие методов расчета и конструирования таких зданий с тем, чтобы повысить их надежность экономичностьи. Одновременно требуется создание специальной нормативной базы для подобных конструктивных систем.
В настоящее время важной проблемой, связанной с конструкциями несущих элементов многоэтажных зданий, является проблема обеспечения огнестойкости и огнесохранности несущих элементов, требование к которым резко повышается с увеличением высоты здания. С конструктивной точки зрения соблюдение повышенных требований по огнестойкости и огнесохранности связано прежде всего с необходимостью увеличения защитного слоя бетона, а отсюда — и с необходимостью увеличения размеров колонн, толщины перекрытий и стен. Это обстоятельство должно быть учтено при оценке конструктивных параметров железобетонных конструкций.
Конструкции наружных стен тесно связаны с несущими конструкциями многоэтажных монолитных зданий каркасно-стеновой системы с плоскими перекрытиями, поэтому требует специального рассмотрения.
Как известно, конструкция наружных стен должна удовлетворять двум требованиям — теплотехническим и требованиям по прочности, устойчивости и долговечности.
С конструктивной точки зрения наружные стены могут выполняться как несущие конструкции, связанные с другими несущими конструкциями здания, и как самонесущие, самостоятельные конструкции, опирающиеся на перекрытия.
Несущие наружные стены выполняются однослойными или слоистыми с несущим монолитным внутренним слоем и наружными теплоизоляционными слоями. Несущий слой, монолитно связанный с плитами перекрытий, участвует в общей работе конструктивной системы здания как несущая стеновая конструкция и соответственно учитывается в статическом расчете здания.
Самонесущие наружные стены могут выполняться однослойными и слоистыми из сборных блоков, сборных трехслойных стеновых панелей и сборно-монолитных конструкций, включающих конструктивные и теплоизоляционные элементы. В этом случае наружные стены являются конструктивным элементом, передающим вертикальную (от собственного веса) и горизонтальную (от ветра) нагрузки на конструктивную систему здания, и рассчитываются на действие этих нагрузок как самостоятельный конструктивный элемент.
Анализ существующих нормативных материалов по расчету и проектированию монолитных зданий позволяет определить задачи, которые необходимо решить в процессе проектирования таких зданий:

оценка и выбор оптимальных параметров основных несущих элементов конструктивной системы многоэтажных монолитных зданий;

выбор наиболее рационального подхода к статическому расчету конструктивной системы для определения усилий в несущих элементах;

совершенствование и разработка методов расчета несущих элементов конструктивной системы на основе новых расчетных моделей;

учет влияния в расчетах конструкций особенностей технологии возведения монолитных зданий.

Оценки основных типов несущих конструкций (колонн, стен, плит перекрытий) следует производить с учетом параметров, характеризующих конструкцию. Эти параметры включают: конфигурацию и геометрические размеры поперечного сечения элемента, его высоту и пролет, бетон (вид и класс по прочности на сжатие), арматуру продольную и поперечную (вид и класс попрочности на растяжение, диаметры, относительное количество и расположение в элементе, способы
Конструктивные и расчетные проблемы, обусловленные технологией возведения монолитных зданий, могут быть сформулированы следующим образом.

Опасность образования технологических трещин в монолитных конструкциях от температурно-усадочных деформаций бетона в процессе его твердения, зависящих от состава бетона, условий твердения и размеров участков бетонирования конструкций. Очевидно, требуется разработка методов расчета по образованию технологических трещин для различных монолитных элементов (стен, плит перекрытий, колонн) и мероприятий по снижению возможности образования и раскрытия технологических трещин, а также по учету влияния технологических трещин на последующее сопротивление монолитных конструкций требованиям по восстановлению монолитности конструкций.

Образование и устройство строительных (рабочих) швов при бетонировании монолитных конструкций. Строительные швы могут устраиваться, согласно проекту или вынужденно, в результате перерыва в бетонировании. В любом случае, для обеспечения надежности монолитных конструкций требуется разработка методов расчета прочности и податливости различно ориентированных контактных строительных швов, армированных и неармированных, при различном характере бетонной поверхности, на сдвиг и  отрыв, а также расчет монолитных конструкций с учетом наличия в них строительных швов, и разработка мероприятий по обеспечению прочности контактных швов.

Определение допустимой прочности твердеющего бетона в момент освобождения монолитной конструкции от опалубки и передачи нагрузки от вышележащих элементовна конструкции, в которых бетон не достиг проектной прочности. Необходимо разработать расчетные правила по установлению допустимой промежуточной прочности бетона при снятии и перестановке опалубки по этажам для различных видов монолитных конструкций (перекрытий, стен, колонн) с точки зрения обеспечения трещиностойкости и прочности конструкций во время возведения монолитного здания, а также включить в план производства работ мероприятия по ускорению набора прочности бетоном.

Контроль качества монолитных конструкций. Очевидно, что контрольные испытания монолитных конструкций нагружением практически невозможны, а контроль прочности бетона по образцам недостаточен, особенно при бетонировании в зимнее время, поэтому контроль прочности бетона следует проводить неразрушающими методами. При этом необходимо учитывать характер работы рассматриваемого конструктивного элемента.

Все более развивающееся монолитное домостроение вызывает необходимость разработки методов расчета и конструирования как всей конструктивной системы здания в целом, так и основных несущих конструкций. Это необходимо для обеспечения необходимой надежности и повышения экономичности несущих конструкций, и создание современной нормативной базы, охватывающей все аспекты проектирования монолитных многоэтажных зданий.

Возможно, данная статья показалась Вам интересной, но остались непонятны некоторые детали, Вы можете прояснить их, написав нам письмо.